蔣超萍

江蘇安科瑞電器制造有限公司  江蘇江陰  214400

摘要：變壓器的油溫和繞組溫度是反映變壓器運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了變壓器溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變壓器油溫和繞組表面溫度的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)利用鉑電阻進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，采用Zigbee無線通信模塊CC2430實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸，基于Labview設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控中心監(jiān)控界面。該系統(tǒng)對(duì)于變壓器溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：變壓器；溫度；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

0引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中用以改變電壓的主要電氣設(shè)備，長(zhǎng)期工作在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，使得熱量聚集。變壓器的溫升既影響帶負(fù)荷能力又影響使用年限，還會(huì)增加電力系統(tǒng)的損耗，如果散熱不良還會(huì)危及設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)斐晒收?。為了保證變壓器安全運(yùn)行，迫切需要能及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷變壓器的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的溫度變化，以及時(shí)采取適當(dāng)措施，保證變壓器安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。變壓器油溫度是變壓器安全運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，按GB1094電力變壓器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的油浸式電力變壓器，在GB/T15164—9d(油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則)中規(guī)定其熱點(diǎn)溫度基準(zhǔn)值98℃，即在此溫度下絕緣的相對(duì)老化率為1。在80～140℃范圍內(nèi)，溫度每增加6K，老化率就增加1倍。在油浸式變壓器中［1］，變壓器油起著散熱和絕緣的作用。當(dāng)油溫超過一定溫度時(shí)，變壓器油的氧化就會(huì)加速，并吸收更多水分。帶有水分和雜質(zhì)的變壓器油，會(huì)縮短變壓器的壽命，成為變壓器可靠運(yùn)行的隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電力事故的發(fā)生，因此運(yùn)行時(shí)需要保證變壓器的油溫在規(guī)定范圍內(nèi)。

為了保證電力變壓器安全運(yùn)行，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油溫和繞組溫度。關(guān)于變壓器溫度的在線監(jiān)測(cè)，目前已經(jīng)提出了多種方法，如上海電力學(xué)院開發(fā)的電力變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［2］，使用氣體傳感器、電流傳感器和紅外線傳感器分別監(jiān)視變壓器的氫氣和一氧化碳含量、局部放電和溫度變化。其他還有基于單片機(jī)的變壓器繞組溫度測(cè)控系統(tǒng)［3］，基于DSP的變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)［4］，干式變壓器無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［5］等。這些系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器溫度的在線監(jiān)測(cè)，但都存在著同樣的問題:使用有線連接方式，由于受供電電源、安裝場(chǎng)所、運(yùn)行和維修環(huán)境等條件的限制，系統(tǒng)布設(shè)復(fù)雜;監(jiān)測(cè)變壓器狀態(tài)的傳感器位置固定，很難更改，而且監(jiān)測(cè)點(diǎn)少，不便于擴(kuò)展，不能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和完整性，限制了對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的正確評(píng)估、判斷和決策。為了克服這些問題，本文提出使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測(cè)變壓器運(yùn)行中的溫度變化，以保證變壓器的安全運(yùn)行。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由許許多多功能相同或不同的無線傳感終端(或稱為節(jié)點(diǎn))組成，是以嵌入式技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)。每一個(gè)無線傳感終端由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲(chǔ)器)、通信模塊(無線收發(fā)器)和供電模塊等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于多路溫度傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，能夠很方便地實(shí)現(xiàn)變壓器的繞組溫度和油溫的檢測(cè)。

1、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

變壓器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生鐵心損耗、繞組銅損耗及其他的附加損耗，這些損耗轉(zhuǎn)變成熱量會(huì)使變壓器的有關(guān)部分溫度升高。為了了解監(jiān)測(cè)變壓器的溫度，識(shí)別高溫點(diǎn)的位置，采用單個(gè)傳感器是不夠的，在變壓器的多個(gè)位置布設(shè)多個(gè)傳感器，更有利于掌握變壓器的溫度狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)變壓器的溫度異常并識(shí)別高溫點(diǎn)位置，才能進(jìn)行相應(yīng)的處理。由于需要使用多傳感器監(jiān)測(cè)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，為了便于靈活布設(shè)本系統(tǒng)采用的無線傳感器不需事先安裝在變壓器的某個(gè)固定位置上而是可以在現(xiàn)場(chǎng)安裝布設(shè)時(shí)再確定監(jiān)測(cè)位置，然后在監(jiān)控端設(shè)置溫度監(jiān)視點(diǎn)為對(duì)應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)該點(diǎn)溫度的監(jiān)視。圖1是變壓器溫度無線傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

圖1 變壓器溫度無線傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由于變壓器運(yùn)行時(shí)的主要損耗來源于鐵心和繞組，并且只有達(dá)到一定的溫差后才能向外散熱，所以變壓器的各部位的溫度不一樣。一般地，繞組溫度很高，鐵芯次之，對(duì)每一部分來說，溫度是自下部到上部逐漸升高的。為了能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)采集和分析，本系統(tǒng)采用智能化的溫度分析方法，以識(shí)別溫度的變化趨勢(shì)，及時(shí)進(jìn)行溫度預(yù)測(cè)。本系統(tǒng)主要包括無線傳感溫度采集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心主節(jié)點(diǎn)兩個(gè)主要部分，每臺(tái)變壓器都可布設(shè)4或6個(gè)無線傳感溫度采集節(jié)點(diǎn)，對(duì)稱安裝在變壓器的各面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器溫度的監(jiān)測(cè)和分析。監(jiān)控中心主節(jié)點(diǎn)由無線傳感中心節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)分析計(jì)算機(jī)構(gòu)成，可實(shí)時(shí)監(jiān)視多個(gè)變壓器的溫度狀態(tài)，并根據(jù)溫度歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)溫度的變化，同時(shí)對(duì)同一變壓器的多個(gè)溫度傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識(shí)別高溫點(diǎn)的位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆，實(shí)現(xiàn)智能溫度監(jiān)測(cè)。

2、無線傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

無線傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)及無線數(shù)據(jù)采集終端組成，為了便于傳感器的布設(shè)和更換，傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)使用變壓器表面安裝方式。每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)集成了Zigbee通信模塊的無線傳感器，每個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)將其采集的數(shù)據(jù)通過Zigbee通信傳輸給變電站監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的分析和顯示以及報(bào)警處理。

系統(tǒng)使用鉑電阻測(cè)溫元件進(jìn)行溫度的檢測(cè)，各Zigbee無線傳感節(jié)點(diǎn)硬件的基本結(jié)構(gòu)是*一樣的。Zigbee無線傳感節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過傳感器檢測(cè)溫度狀態(tài)數(shù)據(jù);并將采集的數(shù)據(jù)送到信號(hào)調(diào)理模塊，進(jìn)行信號(hào)的放大、濾波處理;由多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)對(duì)同一變壓器的多點(diǎn)溫度檢測(cè)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);然后送到Zigbee通信模塊。

圖2 Zigbee無線傳感溫度采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)使用的鉑電阻測(cè)溫傳感器是霍尼韋爾公司的薄膜鉑電阻HEL2700的Pt1000系列，在0℃時(shí)具有1000Ω的標(biāo)準(zhǔn)阻值，且電阻值隨溫度的變化而變化，可用于對(duì)油溫和變壓器繞組表面溫度的檢測(cè)。它具有較大的溫度－電阻系數(shù)(3.8Ω/℃)，可以減小導(dǎo)線電阻對(duì)溫度的影響。由于鉑電阻的熱電阻與溫度的關(guān)系存在非線性，在高溫區(qū)表現(xiàn)更明顯，因此需要對(duì)鉑電阻的非線性進(jìn)行校正。無線傳感節(jié)點(diǎn)中的調(diào)理電路可以實(shí)現(xiàn)電阻與溫度關(guān)系的校正補(bǔ)償，獲得線性的溫度—電阻關(guān)系，并將鉑電阻傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)化為0～5V的電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換之后，送入Zigbee通信模塊進(jìn)行處理。本系統(tǒng)的Zigbee通信模塊采用TI公司的CC2430，CC2430的傳輸距離大概為50～70m，適合構(gòu)建一般小型變電站變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)用于遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)時(shí)，可增加使用射頻功放，監(jiān)測(cè)距離可達(dá)1km，該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)高性能和低功耗的8051微控制器，通過該芯片可以控制溫度數(shù)據(jù)的采集和射頻發(fā)射，集成符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的ＲF無線電收發(fā)模塊，在待機(jī)模式時(shí)僅0.6μA的流耗。CC2430的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 功能結(jié)構(gòu)圖

3、監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心是變壓器溫度無線傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)來自各變壓器的溫度傳感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、查詢與融合分析。整個(gè)系統(tǒng)的功能框圖如圖4所示，它由Zigbee中心節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)查詢與分析終端等部分組成。

實(shí)時(shí)監(jiān)控終端是變壓器溫度無線傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要的組成部分，Zigbee無線模塊接收到來自于各變壓器的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元將數(shù)據(jù)幀拆分，得到對(duì)應(yīng)于各傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由實(shí)時(shí)監(jiān)控終端顯示系統(tǒng)顯示出來，并可對(duì)各無線傳感溫度采集節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與查詢。實(shí)時(shí)監(jiān)控終端需要同時(shí)監(jiān)控顯示來自多個(gè)變壓器的參數(shù)，當(dāng)監(jiān)控變壓器較多時(shí)，可以使用多個(gè)終端同時(shí)顯示變壓器的溫度狀態(tài)參數(shù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控終端顯示軟件采用了labview進(jìn)行開發(fā)。圖5為可同時(shí)監(jiān)控單個(gè)變壓器的油溫、變壓器上部和下部三個(gè)點(diǎn)的溫度時(shí)的監(jiān)控界面。

圖4 監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)圖

圖5 變壓器溫度監(jiān)控界面

為了在變壓器溫度發(fā)生異常時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，在監(jiān)控終端中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)分析預(yù)警功能。在接收、顯示變壓器溫度數(shù)據(jù)的同時(shí)，可自動(dòng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在出現(xiàn)溫度偏離正常值時(shí)，及時(shí)通知監(jiān)控中心人員注意。監(jiān)護(hù)中心的智能診斷軟件主要基于信息融合的方法進(jìn)行溫度異常識(shí)別，通過對(duì)變壓器不同位置的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，判別變壓器溫度變化趨勢(shì)，根據(jù)需要及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息以便監(jiān)控人員關(guān)注發(fā)生異常變化的變壓器。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的中心，為了確保變壓器溫度數(shù)據(jù)的完整性，也為了方便數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，監(jiān)護(hù)中心會(huì)將接收到的所有變壓器的溫度參數(shù)存儲(chǔ)起來，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和分析，以進(jìn)一步進(jìn)行變壓器溫度異常故障的診斷和分析。

4、安科瑞無線測(cè)溫產(chǎn)品介紹

a.電池供電型無線溫度傳感器

安裝于發(fā)熱部位，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/span>

目前無線溫度傳感器有三款：

b.CT感應(yīng)取電無線溫度傳感器

安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點(diǎn)等大電流處，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/span>

目前無線溫度傳感器有兩款：
 

安科瑞無線測(cè)溫就地顯示配置：

ASD300/320智能操控裝置可連接12路無線溫度傳感器，ARTM-Pn無線測(cè)溫裝置可以連接18路無線溫度傳感器，無源（CT取電）方式為ATE300（捆綁式安裝），有源（電池供電）方式為ATE100（螺栓式安裝，主要用于電纜/銅排等螺絲固定的搭接點(diǎn)）和ATE200（表帶式，主要用于斷路器觸頭等接點(diǎn)捆綁安裝，因安裝較ATE100更方便，電纜/銅排等搭接點(diǎn)也常選用）。

圖6 無線測(cè)溫帶操顯功能（就地顯示）

 

Acrel-2000T/B無線測(cè)溫壁掛式監(jiān)控設(shè)備，內(nèi)存4G,硬盤128G,以太網(wǎng)口，顯示器12寸，分辨率800*600，可選Web平臺(tái)/App服務(wù)器，柜體尺寸480*420*200（單位mm），配置IPAD,安裝ACREL-2000/T軟件。就地實(shí)時(shí)顯示溫度分布以及報(bào)警等詳細(xì)參數(shù)。

 

圖7 無線測(cè)溫采集設(shè)備配置方案

 

5、結(jié)論

由于技術(shù)產(chǎn)品成熟度和成本等原因，變壓器上普遍沒有安裝熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而使變電系統(tǒng)惡性事故的預(yù)測(cè)、預(yù)防和監(jiān)控缺乏可靠穩(wěn)定的技術(shù)手段?；赯igbee技術(shù)的變壓器溫度無線傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用設(shè)置在變壓器表面的多個(gè)傳感器，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的溫度狀態(tài)，在溫度異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警。相比于傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)方法，本系統(tǒng)不需布線，可按需貼裝在變壓器表面任何位置，更加方便靈活，便于更換。由于利用多傳感器數(shù)據(jù)推算變壓器中心溫度，推算結(jié)果更加可信，從而能夠更有效地保證變壓器的正常運(yùn)行。該系統(tǒng)經(jīng)過試用，能夠正常監(jiān)測(cè)變壓器的溫度狀態(tài)，可用于變電站的變壓器油溫和繞組表面溫度監(jiān)控，有很重要的實(shí)用價(jià)值。